DE102007050010A1 - Method and apparatus for producing silicon - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Reinstsilizium aus zum Beispiel gegebenenfalls dotiertem Quarzsand durch thermische Reduktion in einem Mikrowellenherd.The present invention relates to a process for the production of ultrapure silicon from, for example, optionally doped quartz sand by thermal reduction in a microwave oven.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Silizium, insbesondere von Reinstsilizium, wie es für die Herstellung von Halbleitern und Solarzellen benötigt wird, sowie eine Vorrichtung hierfür.The The present invention relates to a method for producing silicon. in particular of high-purity silicon, as is the case for the production of semiconductors and solar cells needed as well as a device for this.

Für die Anwendung in diesen Gebieten wird Silizium benötigt, dessen Grad an Verunreinigung extrem gering beziehungsweise genau kontrolliert ist.For the application In these areas silicon is needed, its degree of contamination is extremely low or precisely controlled.

Zudem sollte das Herstellungsverfahren kostengünstig sein.moreover the manufacturing process should be cost effective.

Es sind verschiedene Verfahren zur Herstellung von Reinstsilizium bekannt.It Various methods for producing high-purity silicon are known.

Nach einem Ansatz wird metallurgisches Silizium als Ausgangsmaterial eingesetzt, das aus Quarzsand in einem Hochofenprozess gewonnen wird. Das metallurgische Silizium wird dann über einen mehrstufigen auf Trichlorsilan basierenden Prozess zu polykristallinen Reinstsilizium umgesetzt. Hierbei wird das metallurgische Silizium mit Siliziumtetrachlorid und Wasserstoff zu Trichlorsilan umgesetzt und aus dem Trichlorsilan durch Disproportionierung Silantetrachlorid und Silan gewonnen. Aus dem gebildeten Silan wird dann durch thermische Zersetzung an Siliziumstäben Reinstsilizium gewonnen.To One approach is metallurgical silicon as the starting material used, which is obtained from quartz sand in a blast furnace process. The metallurgical silicon is then over a multi-stage on Trichlorosilane-based process to polycrystalline ultrapure silicon implemented. Here, the metallurgical silicon with silicon tetrachloride and hydrogen converted to trichlorosilane and from the trichlorosilane obtained by disproportionation of silane tetrachloride and silane. From the silane formed is then by thermal decomposition silicon rods Reinstsilizium won.

Gemäß einem weiteren Ansatz wird Silizium aus Quarz oder Quarzglas durch Reduktion erhalten.According to one Another approach is silicon from quartz or quartz glass by reduction receive.

Ein Beispiel hierfür ist die sogenannte carbothermische Reduktion, wobei Kohlenstoff als Reduktionsmittel eingesetzt wird. Gemeinsam ist den reduktiven Verfahren, dass das Ausgangsmaterial für die Umsetzung aufgeschmolzen werden muss, was ein energieintensiver Vorgang ist.One Example for this is the so-called carbothermic reduction, where carbon is used as a reducing agent. Common is the reductive Process that melted the starting material for the reaction must be what an energy-intensive process is.

So ist bekannt, das Aufschmelzen in einen Lichtbogenofen durchzuführen. Von Nachteil ist hierbei, dass die in einem Lichtbogenofen eingesetzten Elektroden dem Verschleiß unterliegen und zudem die Gefahr der Verunreinigung der Elektroden durch das Reduktionsmittel, wie Kohlenstoff, besteht.So is known to perform the melting in an electric arc furnace. From The disadvantage here is that the electrodes used in an electric arc furnace subject to wear and also the risk of contamination of the electrodes by the Reducing agent, such as carbon exists.

Es bestand daher ein Bedarf nach einem Verfahren, nach dem Silizium aus einem einfach zugänglichen Rohmaterial auf einfache Art und Weise und Energie günstig gewonnen werden kann.It There was therefore a need for a method according to which silicon from an easily accessible Raw material obtained in a simple manner and energy favorably can be.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf dem zweiten Ansatz, der auf der reduktiven Gewinnung von Silizium basiert.The inventive method based on the second approach, which is based on the reductive extraction based on silicon.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von Silizium durch reduktive Umsetzung eines Ausgangsmaterials auf Siliziumdioxid-Basis mit einem Reduktionsmittel bereitgestellt, wobei das Ausgangsmaterial auf Siliziumdioxid-Basis zusammen mit dem Reduktionsmittel in einem Mikrowellenofen umgesetzt werden.According to the invention is a Process for the preparation of silicon by reductive conversion of a Silica-based feedstock with a reducing agent provided, wherein the starting material based on silica reacted together with the reducing agent in a microwave oven become.

Das erfindungsgemäß eingesetzte Ausgangsmaterial auf Siliziumdioxid-Basis kann Quarzsand, Quarz oder Glas sein.The used according to the invention Silica-based raw material can be quartz sand, quartz or glass.

Das Glas kann Quarzglas, das heißt ein Glas aus 100% SiO2, sein oder Quarzglas, dem je nach Bedarf geeignete Dotierungselemente zugesetzt worden sind. Vorteilhafterweise wird möglichst ein Ausgangsmaterial eingesetzt, dessen Zusammensetzung den Erfordernissen der späteren Anwendung entspricht, zum Beispiel in Bezug auf Art und Menge der Dotierungselemente. Dadurch kann der Aufwand für eine möglicherweise erforderlich werdende Aufreinigung des erhaltenen Siliziums vermieden oder zumindest verringert werden.The glass may be quartz glass, ie a glass of 100% SiO 2 , or quartz glass, to which suitable doping elements have been added as required. Advantageously, if possible, a starting material is used whose composition corresponds to the requirements of the later application, for example with respect to the type and amount of the doping elements. As a result, the expense of possibly required purification of the resulting silicon can be avoided or at least reduced.

Für das erfindungsgemäße Verfahren wird das Ausgangsmaterial auf Siliziumdioxid-Basis zerkleinert und zum Beispiel in Pulverform eingesetzt. Ein geeignetes pulverförmiges Ausgangsmaterial ist zum Beispiel Quarzmehl.For the inventive method the starting material is crushed silica-based and used for example in powder form. A suitable powdery starting material is for example quartz flour.

Für die Reduktion kann ein Reduktionsmittel eingesetzt werden, wie es für die Herstellung von Silizium durch thermische Reduktion bekannt ist.For the reduction For example, a reducing agent can be used as it is for the preparation of silicon by thermal reduction is known.

Beispiele hierfür sind Kohlenstoff basierte Reduktionsmittel wie Kohlenstoffpulver, Graphitpulver oder eine Mischung aus Kohlenstoffpulver und Graphitpulver, oder Aluminium, Magnesium etc.Examples therefor are carbon based reducing agents like carbon powder, Graphite powder or a mixture of carbon powder and graphite powder, or aluminum, magnesium etc.

Erfindungsgemäß bevorzugt erfolgt die Reduktion carbothermisch, das heißt mit Reduktionsmitteln auf Kohlenstoffbasis.According to the invention preferred the reduction takes place carbothermally, that is with reducing agents Carbon-based.

Erwärmung in einem Mikrowellenherd erfolgt durch Anregung des zu erwärmenden Materials mit elektromagnetischer Strahlung.Warming in A microwave oven is made by exciting the to be heated Materials with electromagnetic radiation.

Hierzu wird die Mischung aus Ausgangsmaterial und Reduktionsmittel in einen geeigneten Reaktionsbehälter gegeben. Dieser Reaktionsbehälter kann aus einem Material bestehen, das für die Arbeitsfrequenz des eingesetzten Mikrowellenherdes transparent ist.For this is the mixture of starting material and reducing agent in one suitable reaction vessel where. This reaction vessel can consist of a material that is used for the working frequency of Microwave ovens is transparent.

Alternativ kann auch ein Behälter verwendet werden, der aus einem Material besteht, das nicht oder nur teilweise für die Arbeitsfrequenz des eingesetzten Mikrowellenherdes transparent ist. In diesem Fall wird auch der Behälter erwärmt, so dass die Erwärmung und das Aufschmelzen durch Wärmeleitung aus dem Behältermaterial in die umzusetzende Mischung unterstützt wird.Alternatively, a container may be used which consists of a material which is not or only partially transparent to the operating frequency of the microwave oven used. In this case, the container is also heated, so that the heating and the melting by heat conduction from the container material in the reacted Mixture is supported.

Das Behältermaterial ist daher nicht weiter kritisch, solange es für die Mikrowellen transparent ist beziehungsweise durch Wärmeleitung die notwendige Erwärmung der umzusetzenden Mischung ermöglicht.The container material is therefore not critical, as long as it is transparent to the microwaves is or by heat conduction the necessary warming enables the mixture to be reacted.

Vorteilhafterweise können für das erfindungsgemäße Verfahren Mikrowellenherde eingesetzt werden, die mit einer Frequenz arbeiten, wie sie für haushaltsübliche Mikrowellenherde eingesetzt wird. Diese benutzen elektromagnetische Strahlung mit einer Frequenz von typischerweise rund 2,455 GHz.advantageously, can for the inventive method Microwave ovens are used, which work with a frequency as for standard household Microwave ovens is used. These use electromagnetic Radiation with a frequency of typically around 2.455 GHz.

Da erfindungsgemäß im Prinzip Mikrowellenherde eingesetzt werden können, wie sie im Handel kostengünstig erhältlich sind, zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere durch eine einfache apparative Handhabung aus.There according to the invention in principle Microwave ovens can be used, as they are commercially available at low cost, the process of the invention is characterized in particular by a simple apparatus handling.

Vorzugsweise werden Mikrowellenherde eingesetzt, die eine Leistungsregelung, insbesondere eine kontinuierliche Leistungsregelung, aufweisen, so dass zum Beispiel die Einstrahlung der Mikrowellen je nach Bedarf eingestellt und geregelt werden kann.Preferably microwave ovens are used, which have a power control, In particular, have a continuous power control, so that, for example, the irradiation of microwaves as needed can be adjusted and regulated.

Der Einsatz von leistungsgeregelten Mikrowellenherden ist ein weiterer Beitrag zur Energieeinsparung.Of the Use of power controlled microwave ovens is another Contribution to energy saving.

Zur Herstellung des Siliziums wird das Ausgangsmaterial auf Siliziumdioxid-Basis klein zermahlen und mit dem Reduktionsmittel vermischt.to Preparation of the silicon is the starting material based on silica crushed small and mixed with the reducing agent.

Die erhaltene Mischung wird in einen Behälter gegeben und das Ausgangsmaterial auf Siliziumdioxid-Basis wird durch Einwirkung der Mikrowellen erwärmt und geschmolzen, wobei die Reduktion durch das Reduktionsmittel erfolgt.The The mixture obtained is placed in a container and the starting material Silica-based is heated by the action of microwaves and melted, wherein the reduction is carried out by the reducing agent.

Die Umsetzung erfolgt vorzugsweise unter einer Inertgasatmosphäre, zum Beispiel Stickstoff oder Argon oder Vakuum, um eine mögliche Reaktion des gebildeten Siliziums mit Luftsauerstoff zu vermeiden.The Reaction is preferably carried out under an inert gas atmosphere, for For example, nitrogen or argon or vacuum to detect a possible reaction of the to avoid formed silicon with atmospheric oxygen.

Die Einstrahlrichtung der elektromagnetischen Strahlung kann im Prinzip beliebig gewählt werden, solange eine ausreichende Erwärmung des Ausgangsmaterials bis zur Schmelze erfolgt.The Beam direction of the electromagnetic radiation can in principle be chosen arbitrarily, as long as a sufficient warming of the starting material until the melt takes place.

Die anliegende Figur zeigt schematisch eine Vorrichtung für eine erfindungsgemäße bevorzugte Ausführungsform, wobei die Vorrichtung gleichfalls einen Gegenstand der Erfindung bildet.The attached figure shows schematically a device for a preferred embodiment according to the invention, the device being also an object of the invention forms.

Gemäß der in der Figur dargestellten bevorzugten Ausführungsform kann die thermische Reduktion des Ausgangsmaterials in Verbindung mit einer Aufreinigung nach dem Prinzip des Zonenschmelzverfahrens durchgeführt werden.According to the in the figure shown preferred embodiment, the thermal Reduction of the starting material in connection with a purification be carried out according to the principle of the zone melting process.

Hierbei wird eine Zone des zu reinigenden Materialkörpers aufgeschmolzen und die Schmelzzone durch den Materialkörper geführt. Die Verunreinigungen sammeln sich in der voranschreitenden Schmelzfront an. Das Zonenschmelzen kann horizontal oder vertikal durchgeführt werden.in this connection a zone of the material body to be cleaned is melted and the Melting zone through the material body guided. The impurities accumulate in the advancing enamel front at. Zone melting can be performed horizontally or vertically.

Für die Durchführung des Zonenschmelzens wird das Reaktionsprodukt, das im Wesentlichen aus Silizium besteht, mit Hilfe der Mikrowelleneinstrahlung zonenweise aufgeschmolzen.For the implementation of the Zone melting is the reaction product, which consists essentially of silicon consists, melted zone by zone with the help of microwave radiation.

Silizium selbst kann durch Mikrowellen nicht unmittelbar angeregt und damit erwärmt werden. Da das Silizium unmittelbar durch die Mikrowelleneinstrahlung nicht ausreichend erwärmt werden kann, wird in diesem Fall ein Behälter verwendet, der aus einem Material besteht, das durch die Frequenz der elektromagnetischen Strahlung des eingesetzten Mikrowellenherdes angeregt und erhitzt wird. Die Erwärmung und das Aufschmelzen des Silizium erfolgt hier durch Wärmeleitung aus der Behälterwand in das Silizium. Das Behältermaterial ist daher im Hinblick auf die Arbeitsfrequenz des eingesetzten Mikrowellenherdes abzustimmen. Beispiele für geeignete Behältermaterialien für handelsübliche Mikrowellenherde sind Graphit, Siliziumcarbid etc.. Diese Materialien zeigen bei Anregung mit elektromagnetischer Strahlung von rund 2,455 GHz von handelsüblichen Mikrowellenherden eine hohe Energieaufnahme, und damit eine entsprechende Erwärmung des Siliziums.silicon itself can not be directly excited by microwaves and thus heated become. Because the silicon is directly affected by the microwave radiation not heated enough In this case, a container is used which consists of a Material is made by the frequency of the electromagnetic Radiation of the microwave oven used excited and heated becomes. The warming and the melting of the silicon takes place here by heat conduction from the container wall in the silicon. The container material is therefore in view of the working frequency of the microwave oven used vote. examples for suitable container materials for commercial microwave ovens are graphite, silicon carbide etc. These materials show Excitation with electromagnetic radiation of about 2.455 GHz from commercially available microwave ovens a high energy intake, and thus a corresponding warming of the Silicon.

Der Bereich der Einstrahlung beziehungsweise Wärmeeinleitung und damit die Schmelzfront kann vertikal, das heißt senkrecht zur Oberfläche des erhaltenen Reaktionsprodukt, oder horizontal, das heißt parallel zur Oberfläche des erhaltenen Reaktionsprodukts, geführt werden.Of the Area of radiation or heat input and thus the The melt front can be vertical, that is perpendicular to the surface of the obtained Reaction product, or horizontally, that is parallel to the surface of the obtained reaction product, be performed.

Damit die Schmelzfront in die gewünschte Richtung geführt werden kann, sind Mittel zur Führung der Strahlungsfront 4 vorgesehen. Beispielsweise können die entsprechenden Mikrowellenquellen oder der Behälter 2 oder beide, der Behälter 2 und die Mikrowellenquellen, beweglich ausgeführt sein. Vorteilhafterweise sind die Mikrowellenquellen so positioniert, dass die Feldmaxima der eingestrahlten Mikrowellen in den zu erwärmenden Bereichen des Reaktionsprodukts erzeugt werden.So that the melt front can be guided in the desired direction, are means for guiding the radiation front 4 intended. For example, the corresponding microwave sources or the container 2 or both, the container 2 and the microwave sources to be made movable. Advantageously, the microwave sources are positioned so that the field maxima of the radiated microwaves are generated in the regions to be heated of the reaction product.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Behälter 2 sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung beweglich ausgeführt.According to a preferred embodiment, the container 2 designed to be movable both in the vertical and in the horizontal direction.

In der Figur ist beispielhaft eine Anordnung für ein erfindungsgemäßes Verfahren mit vertikalem Zonenschmelzverfahren gezeigt.In the figure is an example of an arrangement for a vertical zone melting process according to the invention.

Zur Durchführung des Zonenschmelzens wird hier der Behälter 2 mit dem Reaktionsprodukt seitlich der elektromagnetischen Strahlung ausgesetzt.To perform the zone melting here is the container 2 exposed to the reaction product side of the electromagnetic radiation.

Die Bewegungsrichtung der Strahlungsfront 4 beziehungsweise des Behälters 2 für das Zonenschmelzverfahren ist schematisch durch Pfeile dargestellt.The direction of movement of the radiation front 4 or the container 2 for the zone melting process is shown schematically by arrows.

Wird die Umsetzung zu Silizium mit einem Zonenschmelzverfahren kombiniert, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, zum Aufschmelzen des Ausgangsmaterials auf Siliziumdioxidbasis und dessen Umsetzung mit dem Reduktionsmittel eine separate Strahlungsquelle 3 einzusetzen, die von oben, oder auch von unten, auf das Ausgangsmaterial einstrahlt.If the conversion to silicon is combined with a zone melting process, it has proved to be advantageous to melt the silica-based starting material and react it with the reducing agent to form a separate radiation source 3 use, which radiates from above, or from below, on the starting material.

Erfindungsgemäß bevorzugt wird, bei Bedarf entsprechend dotiertes, Quarzglas zermahlen, mit dem ebenfalls fein zermahlenen Reduktionsmittel vermischt und in einen Behälter gegeben.According to the invention preferred is, if necessary, appropriately doped, crushed quartz glass, with the also finely ground reducing agent and mixed in a container where.

Der Behälter kann in eine handelsübliche Mikrowelle platziert werden und dort durch Bestrahlung das Ausgangsmaterial aufgeschmolzen und mit dem Reduktionsmittel zu Silizium umgesetzt werden.Of the container can be in a commercial Microwave are placed and there by irradiation the starting material melted and reacted with the reducing agent to silicon become.

Erfindungsgemäß können je nach Ausgestaltung auch mehrere vorzugsweise beweglich angeordnete Behälter gleichzeitig in dem Mikrowellenherd eingebracht sein.According to the invention can ever according to embodiment also a plurality of preferably movably arranged container be introduced simultaneously in the microwave oven.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann auf Basis von handelsüblichen Mikrowellenherden durch reduktive Umsetzung Reinstsilizium auf einfache Art und Weise und Energie günstig gewonnen werden.With the method according to the invention can be based on commercial Microwave ovens by reductive conversion of pure silicon to simple Fashion and energy favorable be won.

11
Mikrowellenherdmicrowave oven
22
Behälter zur Aufnahme des Ausgangsmaterials und ReduktionsmittelsContainer for Inclusion of the starting material and reducing agent
33
Strahlungsquelle zum Aufschmelzenradiation source to melt
44
Strahlungsfront zum Zonenschmelzenradiation front for zone melting
Bewegungsrichtung des Behälters und/oder der Strahlungsfront zum Zonenschmelzenmovement direction of the container and / or the radiation front for zone melting

Claims (11)

Verfahren zur Herstellung von Silizium durch thermische Reduktion eines Ausgangsmaterials auf Siliziumdioxid-Basis mit einem Reduktionsmittel in einem Mikrowellenherd.Process for the production of silicon by thermal Reduction of a silica-based starting material with a Reducing agent in a microwave oven. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial auf Siliziumdioxid-Basis ausgewählt ist unter Quarz, Quarzglas und dotiertem Quarzglas.Method according to claim 1, characterized in that that the starting material is selected based on silica under quartz, quartz glass and doped quartz glass. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reduktionsmittel auf Kohlenstoffbasis eingesetzt wird.Method according to claim 1 or 2, characterized that a carbon reducing agent is used. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Reduktionsmittel Kohlenstoffpulver, Graphitpulver oder eine Mischung davon eingesetzt wird.Method according to claim 3, characterized that as a reducing agent carbon powder, graphite powder or a mixture of it is used. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erhaltene Silizium in dem Mikrowellenherd zusätzlich einem Zonenschmelzverfahren unterzogen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the silicon obtained in the microwave oven in addition one Zone melting is subjected. Vorrichtung zur Herstellung von Silizium durch thermische Reduktion eines Ausgangsmaterials auf Siliziumdioxid-Basis mit einem Reduktionsmittel, wobei die Vorrichtung ein Mikrowellenherd (1) ist und zur Aufnahme von mindestens einem Behälter (2) vorgesehen ist, wobei Mikrowellenquellen zur Erzeugung einer Strahlungsfront (4) für die Durchführung eines Zonenschmelzverfahrens vorgesehen sind.Device for producing silicon by thermal reduction of a silica-based starting material with a reducing agent, the device comprising a microwave oven ( 1 ) and for receiving at least one container ( 2 ) is provided, wherein microwave sources for generating a radiation front ( 4 ) are provided for performing a zone melting process. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der mindestens eine Behälter (2) aus einem Material besteht, das für die Arbeitsfrequenz der eingesetzten Mikrowellenquelle nicht transparent ist und erwärmt wird.Apparatus according to claim 6, wherein the at least one container ( 2 ) is made of a material that is not transparent to the operating frequency of the microwave source used and is heated. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, wobei Mittel zur vertikalen oder horizontalen Führung der Strahlungsfront (4) vorgesehen sind.Apparatus according to claim 6 or 7, wherein means for vertical or horizontal guidance of the radiation front ( 4 ) are provided. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Mittel ausgewählt sind unter mindestens einer beweglich angeordneten Mikrowellenquelle, mindestens einem beweglich angeordneten Behälter (2) und einer Kombination davon zur Erzeugung einer beweglichen Strahlungsfront (4).Apparatus according to claim 8, wherein the means are selected from at least one movably arranged microwave source, at least one movably arranged container ( 2 ) and a combination thereof for generating a mobile radiation front ( 4 ). Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der mindestens eine Behälter (2) in vertikaler und horizontaler Richtung beweglich ist.Apparatus according to claim 9, wherein the at least one container ( 2 ) is movable in the vertical and horizontal directions. Verwendung eines Mikrowellenherdes zur thermischen Reduktion eines Ausgangsmaterials auf Siliziumdioxid-Basis mit einem Reduktionsmittel zu Silizium.Use of a microwave oven for thermal Reduction of a silica-based starting material with a Reducing agent to silicon.
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